Bài giảng Xác định sức chịu tải của cọc bằng thí nghiệm

Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Ch−ơng III xác định sức chịu tải của cọc bằng thí nghiệm 1 Khái niệm Mặc dù các ph−ơng pháp lý thuyết dùng để dự đoán sức chịu tải của cọc có nhiều tiến triển trong một số thập kỷ gần đây, dự đoán sức chịu tải theo ph−ơng pháp này còn dựa rất nhiều vào các mối quan hệ thực nghiệm, bán thực nghiệm. Do vậy thí nghiệm sức chịu tải vẫn là một ph−ơng pháp tin cậy để kiểm tra, xác định sức chịu tải của cọc. Thí nghiệm tải trọng tĩnh là ph−ơng pháp đ−ợc dùng từ lâu, đây là ph−ơng pháp tin cậy nhất để xác định sức chịu tải tĩnh của cọc. Khi một số ph−ơng pháp thí nghiệm khác đ−ợc tiến hành, ph−ơng pháp thí nghiệm tải trọng tĩnh đ−ợc lấy làm mốc chuẩn để kiểm toán độ chính xác các ph−ơng pháp khác. Tuy nhiên ph−ơng pháp này th−ờng tốn nhiều thời gian và giá thành cao. Nếu kể cả quá trình chất dỡ tải để hoàn thành một thí nghiệm th−ờng cần khoảng 5 ngày đến 1 tuần. Vì lý do này, ph−ơng pháp thí nghiệm tải trọng động đã đ−ợc đề xuất và cải tiến. Trong thời gian đầu, ph−ơng pháp động không đáng tin cậy và chỉ đ−ợc sử dụng để tham khảo trong quá trình đóng cọc. Gần đây hơn, độ chính xác của ph−ơng pháp đ−ợc cải thiện đáng kể khi quá trình truyền sóng ứng suất đ−ợc xét đến, hiện nay ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng t−ơng đối rộng rãi. Tuy nhiên ph−ơng pháp này cần một ph−ơng pháp phân tích dữ liệu t−ơng đối phức tạp khi xét đến sự truyền sóng ứng suất. Vì lý do này một ph−ơng pháp t−ơng đối mới ra đời, ph−ơng pháp tĩnh động (Statnamic). Sau đây là các ph−ơng pháp thí nghiệm đã đề cập ở trên. 87 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 2 Các ph−ơng pháp thí nghiệm tải trọng tĩnh 2.1 Ph−ơng pháp gia tải từng cấp (maintained load test, MLT) Theo ph−ơng pháp này cọc đ−ợc chất và dỡ tải từng cấp. Với mỗi cấp, tải trọng đ−ợc duy trì trong thời gian tối thiểu theo quy định hoặc đến khi tốc độ lún d−ới cấp tải trọng đó thoả mãn yêu cầu quy định (Tomlinson, 2001). Bảng 3.1 là một ví dụ về thời gian chất tải theo thí nghiệm chất tải chậm của quy trình Anh (BS 8004 – 1986). Tải trọng Thời gian tối thiểu cần giữ tải trọng 25% Tải trọng kiểm định 50% Tải trọng kiểm định 75% Tải trọng kiểm định 100% Tải trọng kiểm định 75% Tải trọng kiểm định 50% Tải trọng kiểm định 25% Tải trọng kiểm định 0 100% Tải trọng kiểm định 100% Tải trọng kiểm định + 25% Tải trọng làm việc 100% Tải trọng kiểm định + 50% Tải trọng làm việc 100% Tải trọng kiểm định + 25% Tải trọng làm việc 100% Tải trọng kiểm định 75% Tải trọng kiểm định 50% Tải trọng kiểm định 25% Tải trọng kiểm định 0 30 m in 30 m in 30 m in 1 h 10 m in 10 m in 10 m in 1 h 6 h 1 h 10 m in 10 m in 10 m in 10 m in 10 m in 10 m in 1 h Bảng 3.1 Trình tự gia tải cho thí nghiệm kiểm tra sức chịu tải. Trong đó tải trọng cần kiểm định là giá trị đại diện cho các giá trị tải trọng làm việc và th−ờng chọn giá trị lớn nhất. 88 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Thông th−ờng các cấp đ−ợc chọn là 25% tải trọng làm việc. Tuy nhiên việc chọn cấp tải là 25% có thể không xác định đ−ợc sức chịu tải tới hạn của cọc. Trong các tr−ờng hợp này có thể chọn cấp nhỏ hơn và 12.5% tải trọng làm việc có thể dùng khi cọc gần bị phá hoại. Trong hầu hết các tr−ờng hợp sức chịu tải tới hạn của cọc đ−ợc lấy t−ơng ứng ở 10% độ lún của cọc (BS 8004:1986), hoặc tải trọng tại đó độ lún của cọc vẫn tiếp tục mà không có sự chất tải. Tốc độ 0.25 mm/hour th−ờng đ−ợc dùng làm tốc độ lún giới hạn, (BS 8004:1986). Đôi khi, với đất sét 0.1 mm/hour hoặc nhỏ hơn có thể chọn là tốc độ lún giới hạn. Ph−ơng pháp gia tải cho cọc có thể thực hiện theo một số cách sau đây: a) bằng kích với đối trọng là khối nặng (th−ờng bằng bê tông) (Hình 3.1), cần tải lớn hơn tải trọng thí nghiệm; b) bằng kích với đối trọng là các cọc neo thích hợp. Cần chú ý không để hệ đối trọng ảnh h−ởng đến độ lún của cọc. Trong tr−ờng hợp dùng khối nặng, khoảng cách từ hệ đỡ khối nặng đến đến cạnh cọc không nhỏ hơn 1.3m và khi dùng cọc neo đến cọc thí nghiệm, tâm đến tâm, không nhỏ hơn 3 lần đ−ờng kính cọc và không nhỏ hơn 2m (BS 8004:1986). Hình 3.1 Thí nghiệm tải trọng tĩnh Thí nghiệm gia tải từng cấp còn gọi là thí nghiệm kiểm chứng tải, nó th−ờng đ−ợc thực hiện để khẳng định rằng độ lún của cọc d−ới tác dụng của tải trọng làm việc có thể chấp nhận đ−ợc cho kết cấu bên trên. Do vậy trong thí nghiệm này cọc không nhất thiết phải chất tải đến tải trọng tới hạn. Do điều kiện đất nền dễ thay đổi theo vị trí, kiểm chứng chỉ với tải trọng làm việc là không đủ. 89 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Độ lún của cọc thí nghiệm có thể thoả mãn d−ới tác dụng của tải trọng làm việc nh−ng nó có thể gây ra độ lún lớn cho cọc không đ−ợc thí nghiệm bên cạnh. Vì lý do này, tải trọng thí nghiệm cần phải lớn hơn tải trọng làm việc (11/2 hoặc 2 lần) (Tomlinson, 2001). 2.2 Thí nghiệm lún với tốc độ không đổi Trong thí nghiệm lún với tốc độ không đổi, the constant rate of penetration test (CRP), cọc đ−ợc gia tải theo cách mà tốc độ lún của cọc đ−ợc duy trì ở một giá trị quy định. Quy trình Anh (BS 8004:1986) đề xuất dùng tốc độ lún 0.75 mm/phút cho cọc ma sát trong đất sét và 1.5 mm/phút cho cọc chống trong cát hoặc sạn. Ng−ợc với thí nghiệm MLT, trong CRP thí nghiệm chỉ dừng khi đạt đến sức chịu tải tới hạn của cọc. Trong hầu hết các tr−ờng hợp sức chịu tải tới hạn của cọc đ−ợc lấy t−ơng ứng ở độ lún bằng 10% đ−ờng kính hay cạnh cọc (BS 8004:1986). Khi cọc thí nghiệm dài hoặc có đ−ờng kính lớn, các yếu tố sau cần xét đến khi định sức chịu tải tới hạn của cọc: a) biến dạng đàn hồi của bản thân cọc, với cọc dài biến dạng đàn hồi của bản thân cọc có thể đạt đến 10% đ−ờng kính cọc; b) với cọc đ−ờng kính lớn rất khó chất tải đến độ lún bằng 10% đ−ờng kính cọc. Với các cọc nh− vậy, việc định giá tải trọng tới hạn phải xem xét từ đ−ờng đặc tính độ lún - tải trọng và độ lún cho phép của kết cấu bên trên. Ph−ơng pháp cấp tải cho thí nghiệm CRP t−ơng tự nh− ph−ơng pháp MLT. Tuy nhiên do cọc đ−ợc chất tải đến giá trị tới hạn, cần đảm bảo khả năng của hệ thống đối trọng để không xảy ra tình trạng thí nghiệm phải kết thúc sớm do đối trọng không đủ. Vì vậy thí nghiệm này không phù hợp với cọc đ−ờng kính lớn. Thí nghiệm CRP là t−ơng đối nhanh so với MLT. Ví dụ, cọc ma sát trong đất sét với đ−ờng kính 600mm cần khoảng 1.5 hours để thực hiện. 90 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 2.3 Thí nghiệm hộp tải Osterberg Do sự phát triển của cọc khoan nhồi đ−ờng kính lớn, ph−ơng pháp thí nghiệm tải trọng tĩnh th−ờng đ−ợc gọi là thí nghiệm hộp tải Osterberg đ−ợc sử dụng và phát triển (Osterberg & Pepper, 1984). Thí nghiệm đ−ợc thực hiện bằng hộp tải th−ờng đ−ợc gọi là hộp Osterberg hoặc ‘O-cell' (Hình 3.2). Hộp O-cell là một thiết bị giống nh− kích thuỷ lực đ−ợc gắn ở đáy lồng cốt thép hoặc ở 1 cao độ nào đó trong lồng cốt thép (Hình 3.3). Không giống nh− ph−ơng pháp thí nghiệm tải trọng tĩnh thông th−ờng, khi tải trọng đ−ợc tác dụng từ đỉnh của cọc, trong ph−ơng pháp này O-cell tác dụng tải vào cọc từ mũi cọc bằng cách giãn O-cell, nó đ−ợc cung cấp áp lực thuỷ lực bằng hệ thống bơm thuỷ lực. áp lực này đ−ợc luôn luôn đ−ợc theo dõi trong quá trình bơm. Bằng cách làm này, sức kháng mũi cung cấp đối trọng cho sức kháng ma sát và ng−ợc lại. Do vậy thí nghiệm kết thúc khi một trong các điều kiện sau xảy ra: a) tải trọng tác dụng đạt đến sức chịu tải giới hạn của ma sát thành bên; b) ) tải trọng tác dụng đạt đến sức chịu tải giới hạn của sức kháng mũi; c) đạt đến khả năng tới hạn của hộp tải. Hình 3.3 Sơ đồ thí nghiệm cho thí nghiệm Osterberg Hình 3.2 Hộp tải Osterberg 91 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Trong quá trình thí nghiệm, di chuyển của đỉnh và đáy hộp tải đ−ợc đo qua các thanh gắn vào đáy và đỉnh của hộp và đ−ợc kéo dài lên đỉnh cọc (Hình 3.3). Trong quá trình thí nghiệm thì chuyển vị đứng lên của đỉng cọc cũng đ−ợc theo dõi. Thí nghiệm này có một số −u điểm nhất định nh− kinh tế, khả năng gia tải cao (đến 150000 tấn), an toàn, không chiếm nhiều diện tích, có khả năng tách sức kháng mũi từ sức kháng ma sát. Các nh−ợc điểm của ph−ơng pháp gồm có: cần lắp đặt thiết bị tr−ớc, hộp tải bị bỏ sau khi kết thúc thí nghiệm, tải trọng thí nghiệm giới hạn đến 2 lần giá trị nhỏ nhất trong sức chịu tải ở mũi và sức chịu tải ma sát, thí nghiệm không phù hợp cho một số loại cọc (Poulos, 2000). Sức cản ma sát khi thí nghiệm đ−ợc giả thiết là không bị ảnh h−ởng bởi chiều của chuyển động, lên hoặc xuống. Tuy nhiên, Wood (2003) thấy rằng chiều của chuyển động ảnh h−ởng cả độ cứng và sức chịu tải của cọc. 3. Hiệu ứng về tốc độ gia tải Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng c−ờng độ của đất d−ới tác dụng của tải trọng động (cắt với tốc độ nhanh) lớn hơn c−ờng độ của đất d−ới tác dụng của tải trọng tĩnh (cắt với tốc độ chậm). Hiện t−ợng này đ−ợc gọi là hiệu ứng của tốc độ gia tải và nó thể hiện trong cả đất cát và đất sét. Tuy nhiên trong đất sét hiệu ứng này phức tạp hơn rất nhiều so với đất cát. Có ba yếu tố chính gây ra hiện t−ợng này: n−ớc lỗ rỗng, mối tiếp xúc giữa các hạt, sự t−ơng tác giữa n−ớc lỗ rỗng và các hạt đất (Mitchell, 1976; Pike, 1981). N−ớc lỗ rỗng trong đất có tính nhớt. Do vậy khi l−ợng n−ớc trong đất càng cao đất càng thể hiện tính nhớt. Mối tiếp xúc giữa các hạt cũng thể hiện tính nhớt. Mối tiếp xúc này đ−ợc thành tạo giữa các hạt khoáng và n−ớc hút bám với n−ớc hút bám của hạt khoáng bên cạnh. Tính nhớt của n−ớc hút bám cao hơn nhiều so với n−ớc tự do. Do vậy đất dính có chiều dày n−ớc hút bám càng lớn càng thể hiện tính nhớt. Mối liên kết giữa các hạt đất cũng thay đổi phụ thuộc vào tốc độ cắt. Khi tốc độ cắt chậm, các hạt có đủ thời gian để sắp xếp theo ph−ơng có sức kháng nhỏ nhất. Trong khi đó ở tốc độ cắt cao điều này không xảy ra. Khi cắt với tốc độ rất cao, đất chặt có xu h−ớng tăng thể tích do vậy áp lực n−ớc lỗ rỗng âm 92 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT hoặc áp lực n−ớc lỗ rỗng d−ơng nhỏ hơn xuất hiện (Muir Wood, 1990; Bjerrum et al. 1958; Crawford, 1959; Whitman, 1957). Tất cả các hiện t−ợng này tạo ra hiệu ứng nói trên.s 3.1 Một số nghiên cứu về hiệu ứng tốc độ gia tải Gibson và Coyle (1968) thực hiện thí nghiệm nén ba trục với cả đất cát và đất sét với các tốc độ cắt khác nhau để so sánh sức kháng động với sức kháng tĩnh. Đất sét trong nghiên cứu này đ−ợc thí nghiệm có độ ẩm và chỉ số dẻo khác nhau, các đất cát đ−ợc thí nghiệm có các cấp phối khác nhau. Gibson và Coyle kết luận rằng: Rt = Rs + RsJTv N (3.1) Trong đó Rt là tổng tải trọng động Rs là tải trọng tĩnh JT là hệ số nhớt v là vận tốc cắt N là hệ số rút ra từ thí nghiệm 0.18 cho đất sét và 0.2 cho đất cát. Biscontin và Pestana (2001) thực hiện thí nghiệm cắt cánh trong đất sét với tốc độ cắt thay đổi từ 1mm/min đến 1500mm/min. Từ thí nghiệm tác giả rút ra: )log(1 po p uo u v v S S α+= ; (3.2) β)( po p uo u v v S S = ; (3.3) Trong đó: vpo là tốc độ cắt tiêu chuẩn ở biên của cánh đ−ợc chọn là 3.4 mm/min ứng với tốc độ góc quay là 6o/min cho cánh cắt 55 mm; Suo là sức kháng cắt không thoát n−ớc t−ơng ứng với tốc độ cắt chuẩn Su sức kháng cắt ứng với tốc độ cắt vp; α, β là hệ số phụ thuộc loại đất. 93 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 4. Thí nghiệm tải trọng động 4.1 Khái niệm Thí nghiệm tải trọng động thực hiện bằng cách thả quả búa vào đầu cọc thí nghiệm. Các thiết bị sẽ ghi các lực tác dụng, vận tốc đầu cọc trong quá trình đóng và quá trình truyền sóng ứng suất sau khi đóng. Sức kháng tĩnh của cọc đ−ợc dự đoán bằng cách phân tích số liệu ‘lực tác dụng-vận tốc ghi đ−ợc’ với giả thiết rằng các yếu tố phụ thuộc thời gian của sức kháng tĩnh của cọc có thể bỏ qua. Theo kinh nghiệm khối nặng của búa đóng khoảng 2% tải trọng lớn nhất cần tác dụng (Middendorp et al. 2000). Tr−ớc khi thí nghiệm đầu cọc cần đ−ợc chuẩn bị để không bị phá hoại khi đóng. Do vậy bề mặt đầu cọc đ−ợc làm nhẵn bằng epoxy hoặc ximăng để tránh hiện t−ợng tập trung ứng suất. Các lực tác dụng đ−ợc tính từ số đo của biến dạng kế dán cách đầu cọc 1 khoảng bằng hai lần đ−ờng kính cọc theo ph−ơng trình sau: F = E.Ap.ε (3.4) Trong đó F là lực tác dụng E là mô đun đàn hồi của cọc Ap là diện tích tiết diện cọc ε là biến dạng của cọc Mô đun đàn hồi của bê tông không phải là hằng số mà nó phụ thuộc vào tuổi và chất l−ợng của bê tông, phụ thuộc vào tốc độ gia tải, thậm chí phụ thuộc vào nhiệt độ của bê tông (Middendorp & Foeken, 2000). Do các khó khăn này, mô đun đàn hồi, E, đ−ợc −ớc tính gián tiếp từ ph−ơng trình sau: E = c2ρ (3.5) Trong đó c là vận tốc sóng ứng suất ρ là mật độ của vật liệu Tốc độ sóng ứng suất đ−ợc tính từ: c = 2L/T (3.6) 94 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT L là chiều dài cọc T là khoảng thời gian sóng ứng suất cần thiết để đi từ đầu cọc đến mũi cọc và quay trở lại đầu cọc. Có nhiều cách để xác định sức chịu tải tĩnh của cọc từ thí nghiệm tải trọng động. Tuy nhiên ở đây chỉ trình bày ph−ơng pháp th−ờng dùng nhất hiện nay đó là ph−ơng pháp có xét đến sự truyền sóng ứng suất. 4.2 Ph−ơng trình truyền sóng ứng suất Quá trình tác dụng 1 ngoại lực vào một vật thể là một quá trình động. Tuy nhiên khi tốc độ gia tải chậm quá trình biến dạng có thể xem là các b−ớc kế tiếp nhau trong đó vật thể ở trạng thái cân bằng tĩnh. Thực ra ứng suất trong vật thể không truyền tức thì từ vùng tác dụng tải trọng đến các vùng khác của vật thể. Các ứng suất và biến dạng đ−ợc truyền từ các phân tử đến các phân tử với một tốc độ nhất định (tốc độ c), do vậy các ứng suất và biến dạng t−ơng ứng khác nhau từ phần này đến phần khác trong vật thể. Một cọc có thể đ−ợc coi nh− 1 thanh hình trụ mảnh bị tác dụng 1 lực đột ngột tại đầu trái nh− Hình 3.4. dσ -A(σ + dz ) dz z A A’ B B’ dz u dz -Aσ Hỡnh 3.4 Cỏc lực tỏc dụng lờn phõn tố 95 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Một sóng nén đ−ợc tạo thành ở đầu trái của thanh và di chuyển từ trái qua phải. Tại thời điểm, t, phần mặt tr−ớc của sóng nén tại z (AB), trong khoảng thời gian dt, sóng ứng suất truyền đến mặt cắt ngang A’B’ cách AB một khoảng dz. Do vậy dz = cdt trong đó c là tốc độ sóng ứng suất. áp dụng định luật 2 của Newton ta có: F = ma (3.7) Trong đó F là lực tác dụng vào phần tử AB-A’B’ (F = )]A(-[A- dz z∂ ∂+ σσσ ) m là khối l−ợng (m = Apρdz) a là gia tốc ( 2 2 t ua ∂ ∂= ) Ap là diện tích mặt cắt ngang u là biến dạng của phần tử AB-A’B’ Nh− vậy Ph−ơng trình 3.7 trở thành: 2 2 pp )](A-[A- t udzAdz z p ∂ ∂=∂ ∂+ ρσσσ (3.8) Sắp xếp lại Ph−ơng trình 3.8 ta có: 2 2 t u z ∂ ∂=∂ ∂ ρσ (3.9) Giả thiết định luật Hooke có thể áp dụng cho vật liệu thanh ta có: E=ε σ (3.10) Trong đó ε là biến dạng t−ơng đối, ∂ u/∂ z. Thay thế ε =∂ u/∂ z trong các Ph−ơng trình 3.9 và 3.10 ta có: 2 2 2 2 z uE t u ∂ ∂=∂ ∂ ρ (3.11) Đây là ph−ơng trình vi phân cho quá trình truyền sóng ứng suất. Vận tốc của sóng ứng suất đ−ợc tính theo công thức: ρ Ec = (3.12) Thay thế 3.12 vào 3.11, ph−ơng trình truyền sóng trở thành: 2 2 2 2 2 z uc t u ∂ ∂=∂ ∂ (3.13) 96 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Nếu định nghĩa v là tốc độ của phần tử, nó đ−ợc tính theo công thức: t uv ∂ ∂= (3.14) Ph−ơng trình 3.14 có thể đ−ợc tính theo: EA Fc dt dz EA F dt dz t uv pp ===∂ ∂= ε (3.15) Từ Ph−ơng trình 3.15, lực tác dụng có thể đ−ợc tính theo công thức: Zvv c EA F p == or F EA cv p = (3.16) Trong đó Z = c/(EAp) đ−ợc gọi là trở kháng của cọc. 4.3 Sức kháng động của cọc Sóng nén đ−ợc tạo thành do tác dụng của búa sẽ di chuyển dọc theo cọc với vận tốc là, c, trong quá trình di chuyển nó sẽ t−ơng tác với sức cản ma sát dọc theo cọc, sự t−ơng tác này sẽ làm thay đổi độ lớn của sóng ứng suất. Khi sóng ứng suất chuyền đến mũi cọc, nó sẽ t−ơng tác với sức cản ở mũi cọc và tạo ra một sóng phản xạ. Để xác định giá trị của sự t−ơng tác do sức cản ma sát ta có thể xem xét các phần tử nhỏ của cọc trong đó sức cản động ma sát thành cọc đ−ợc xem là lực tập trung, Ts (Hình 3.5). Hỡnh 3.5 Vận tốc cỏc vị trớ dọc theo cọc theo thời gian 97 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Thời điểm t Thời điểm t+ Δ t Nốt Vận tốc tại t velocities Vận tốc sau một số gia thời gian Cọc Cọc ( v u ) i+1 ( v u ) i ( v d ) i ( v d ) i - 1 i - 1 i i +1 Sức kháng Ti-1 Ti T i - 1 (vu)i- 1 = ( v u ) i + 2Z T i (vu)i = ( v u ) i+1 + 2Z T i - 1 (vd)i = ( v d ) i - 1 - 2Z T i (vd)i+1 = ( v d ) i - 2Z Hỡnh 3.6 Vận tốc cỏc vị trớ dọc theo cọc theo thời gian Bằng cách dùng ph−ơng trình cân bằng và tính liên tục về vận tốc cho phần tử cọc và lấy Ts là d−ơng khi tác dụng vào cọc h−ớng lên phía trên và âm khi ng−ợc lại, ta có các ph−ơng trình sau (Benamar et al. 1992; Fleming et al. 1992): Fd1 – Fd2 = -Ts/2 (3.17) Fu2 – Fu1 = Ts/2 (3.18) Trong đó Fd1 sóng ứng suất di chuyển xuống tr−ớc khi t−ơng tác Fd2 sóng ứng suất di chuyển xuống sau khi t−ơng tác Fu1 sóng ứng suất di chuyển lên tr−ớc khi t−ơng tác Fu2 sóng ứng suất di chuyển lên sau khi t−ơng tác Do vậy giá trị của sóng ứng suất xuống giảm một nửa tổng sức kháng động ma sát thành bên của cọc (Ts/2). Trong lúc đó sóng ứng suất lên tăng Ts/2. T−ơng tự, dùng ph−ơng trình cân bằng cho mũi cọc, sóng phản xạ sau khi t−ơng tác ở mũi có thể tính theo công thức: Fu = Qb – Fd (3.19) 98 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Trong đó Qb là sức kháng động của mũi cọc Fd là sóng ứng suất h−ớng xuống tới mũi cọc Fu là sóng ứng suất phản xạ tại mũi cọc Kết quả là, sau khi t−ơng tác lực ban đầu sẽ giảm một nửa tổng sức kháng động dọc theo cọc (Ts/2) khi tới mũi tại thời điểm t = L/c, ở đây L là chiều dài cọc và c là vận tốc sóng ứng suất. Fd = Fo – Ts/2 (3.20) Trong đó Fo là lực h−ớng xuống ban đầu. Từ Ph−ơng trình 3.19 và 3.20, lực phản xạ h−ớng lên ở mũi cọc là: Fu = Qb – Fd = Qb – (Fo – Ts/2) = Qb – Fo + Ts/2 (3.21) Trên đ−ờng trở về đầu cọc, nó sẽ tăng thêm một l−ợng là một nửa sức cản động ma sát của cọc, để có lực cuối cùng trở về ở thời điểm t = 2L/c là: Fur = Fu + Ts/2 = Qb – Fo + Ts/2 + Ts/2 = Qb – Fo + Ts (3.22) Trong đó Fur = lực chuyền về ở thời điểm t = 2L/c muộn hơn thời điểm giá trị Fo đ−ợc đo. Do vậy tổng sức cản động (Rt) đ−ợc tính theo: Rt = Qb + Ts = Fur + Fo (3.23) Để có đ−ợc sức kháng của cọc từ 3.23 cần phải tách thành phần lực truyền xuống và lực truyền lên từ tổng lực đo đ−ợc (giá trị đo đ−ợc là tổng giao thoa của cả lực xuống và lực lên). Từ 3.16 ta có các ph−ơng trình sau: Fd = Zvd (3.24) Fu = -Zvu (3.25) Tổng lực F và vận tốc phần tử v ở tại một điểm tính toán là kết hợp của các thành phần truyền lên và xuống. Do vậy F = Fd + Fu (3.26) v = vd + vu (3.27) Từ 3.25 đến 3.27 ta có F = Z(vd-vu) (3.28) 99 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Kết hợp 3.24, 3.26 và 3.275 lực truyền xuống có thể tính theo công thức Fd = 0.5(F + Zv) (3.29) T−ơng tự, kết hợp 3.25, 3.26 và 3.27 lực truyền lên tính theo công thức Fu = 0.5(F-Zv) (3.30) Do vậy 3.23 đ−ợc sắp xếp lại: Rt = 0.5(Fo + Zvod) + 0.5(Fr –Zvr) (3.31) Trong đó vod là tổng vận tốc ban đầu đo đ−ợc bởi thiết bị Fr là tổng lực đo ở thời điểm t = 2L/c muộn hơn ở thời điểm đo Fo vr là tổng vận tốc ở thời điểm t = 2L/c muộn hơn ở thời điểm vod Ph−ơng trình này là ph−ơng trình cơ bản để dự đoán tổng sức kháng động của cọc từ các thiết bị đo. 4.4 Sức kháng tĩnh của cọc Do hiệu ứng gia tải, sức kháng động của cọc có thể đ−ợc xem bao gồm hai thành phần - sức kháng tĩnh của cọc và sức cản nhớt. Để xác định sức kháng tĩnh của cọc cần phải tách sức cản nhớt từ tổng sức kháng của cọc. Hiện nay có một số ph−ơng pháp khác nhau trong việc dự đoán sức cản nhớt của cọc. 4.4.1 Ph−ơng pháp phân tích Case Ph−ơng pháp này dựa trên giả thiết rằng tất cả sức cản nhớt (damping component) xuất hiện ở mũi cọc và tỷ lệ với vận tốc ở mũi, vb. Do vậy thành phần cản nhớt có thể đ−ợc tính theo công thức: Qd = jcZvb (3.32) Trong đó Qd là thành phần sức cản nhớt ở mũi jc là hệ số sức cản nhớt Case Vận tốc của mũi cọc ở tại thời điểm to+L/c có thể tính từ vận tốc đầu cọc theo công thức nh− sau: vb(to+L/c) = vod – vr = 0.5(Fo + vodZ)/Z + 0.5(Fr – vrZ)/Z (3.33) 100 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Từ đó, sức kháng tĩnh theo ph−ơng pháp Case đ−ợc tính theo: Rs = 0.5(1-jc)(Fo + Zvod) + 0.5(1 + jc)(Fr – Zvr) (3.34) Nếu không thể xác định hệ số Case cho nền địa chất cụ thể, có thể tham khảo các giá trị cho trong Bảng 2.2 (Fleming et al. 1992). Cát 0.05 – 0.20 0.05 Cát bụi/Đất bụi cát 0.15 - 0.30 0.15 Đất Bụi 0.20 – 0.45 0.3 Sét bụi/bụi sét 0.40 – 0.70 0.55 Sét 0.60 – 1.10 1.1 Loại đất tại mũi cọc Khoảng giá trị Jc Giá trị có thể dùng Jc khi không có số liệu cụ thể Bảng 3.2 Hệ số Case tham khảo cho các loại đất. Rõ ràng rằng giả thiết về sức cản nhớt của ph−ơng pháp này là quá đơn giản. Thực tế sức cản nhớt không chỉ có ở mũi cọc mà thể hiện rất rõ ở sức kháng ma sát thành cọc. 4.4.2 Ph−ơng pháp so sánh tín hiệu Để xác định sức kháng tĩnh của cọc theo ph−ơng pháp này, ta cần phải chọn mô hình và các thông số cho mô hình để mô tả sự t−ơng tác giữa đất và cọc. Sức khác tĩnh của cọc đ−ợc xác định nếu các thông số của mô hình đ−ợc xác định. Để tính các thông số này một ph−ơng pháp gọi là ph−ơng pháp so sánh tín hiệu đ−ợc sử dụng, với nó các thông số của mô hình đ−ợc thay đổi cho đến khi các tín hiệu đo đ−ợc từ thí nghiệm trùng với các số liệu tính toán. Do khối l−ợng tính toán lớn trong quá trình so sánh, ph−ơng pháp này đ−ợc tự động hoá. Rõ ràng rằng, mô hình càng thực tế bao nhiêu chất l−ợng trùng giữa số liệu tính và tín hiệu đo càng tốt bấy nhiêu. Nh−ng với một mô hình đất rất phức tạp với nhiều thông số ch−a biết thì quá trình so sánh tín hiệu có thể bất định. Vì lý do này mô hình t−ơng đối đơn giản của Smith (Smith, 1960) đ−ợc sử dụng rộng rãi. Gần đây hơn một số mô hình phức tạp hơn cũng đ−ợc sử dụng nh− mô hình của Simons & Randolph (1985), Lee et al. (1988), Novak & Nagger (1994). ở đây chỉ một số mô hình chính đ−ợc xem xét. 101 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT ♦ Mô hình của Smith: Smith (1960) sử dụng mô hình lò xo và pít tông nh− Hình 3.7 để mô hình sự t−ơng tác giữa đất và cọc. Lò xo đặc tr−ng cho sức kháng tĩnh của cọc và pít tông đặc tr−ng cho sức cản nhớt. Smith còn giả thiết rằng vùng tr−ợt chỉ xảy ra ở lớp đất rất mỏng ngay gần bề mặt cọc và ngoài lớp đó đất đ−ợc xem là tuyệt đối cứng. Do vậy mô hình có thể đ−ợc thể hiện d−ới dạng sau: Rt = Rs + RsJsv (3.35) Trong đó Rt là tổng sức kháng Rs là sức kháng tĩnh RsJsv là sức cản nhớt Js là hệ số nhớt Smith v là vận tốc cọc. Pít tông Khối cọc Lò xo Đất Hỡnh 3.7 Mụ hỡnh Smith cho tương tỏc giữa đất và cọc Dựa vào mô hình này một số phần mềm đã đ−ợc phát triển nh− GRLWEAP (Rauchsche et al. 1992), CAse Pile Wave Analysis Program đ−ợc biết nh− CAPWAP (Rausche et al. 2000), TNOWAVE (Courage & Foeken, 1992). ♦ Các mô hình phi tuyến: Nh− đã đề cập, sức cản nhớt không tỷ lệ tuyến tính với vận tốc cọc, đặc biệt là với đất sét. Vì lý do này một số mô hình phi tuyến đã đ−ợc đề xuất. Mô hình Randolph & Deeks (1992): Trong mô hình này vùng tr−ợt xảy ra ở một lớp mỏng ngay cạnh cọc và nó đ−ợc thể hiện bằng một pít tông song 102 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT song với tr−ợt dẻo. Ngoài vùng này, đất đ−ợc thể hiện bằng một lò xo song song với một pít tông khác (Hình 3.8). Với đất tại mũi cọc mô hình tách khối đất ngay d−ới mũi cọc (khối l−ợng Mb) và phần đất còn lại (Hình 3.8) Khối đất ngay tại mũi cọc Phần tử cọc Pít tông Lò xo Tr−ợt dẻo Pít tông Đất d−ới khối đất d−ới mũi cọc Đất ngay thành cọc Phần tử cọc Pít tông Lò xo Tr−ợt dẻo Pít tông mô hình sức cản quán tính Đất ngoài vùng tiếp xúc với cọc Hỡnh 3.8 Mụ hỡnh tương tỏc giữa đất và cọc theo Randolph & Deeks Hàm số mũ cho sức kháng động của cọc đ−ợc đề xuất nh− sau: ])(1[ βαττ o sd v vΔ+= (3.36) Trong đó vo là vận tốc tham chiếu (1 m/s) Δv là vận tốc t−ơng đối giữa cọc và đất α hệ số 0.1 cho cát đến 1 cho sét β hệ số lấy khoảng bằng 0.2 Mô hình cho mũi cọc đ−ợc đề xuất nh− Hình 3.8 trong đó độ cứng của lò xo, Kb, hệ số cho hai pít tông nhớt, Cb, khối l−ợng Mb tính theo: μ−= 1 2GdKb (3.37) ρμ G dCb −= 1 8.0 2 (3.38) μ μρ − −= 1 1.02 4 3DMb (3.39) Trong đó G là mô đun cắt 103 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT D là đ−ờng kính cọc μ là hệ số Poisson ρ khối l−ợng riêng của đất tại mũi 4.5. Các −u nh−ợc điểm của ph−ơng pháp động Ph−ơng pháp thí nghiệm tải trọng động có các −u nh−ợc điểm sau: ♦ So sánh với ph−ơng pháp tĩnh thì ph−ơng pháp này rẻ hơn nhiều (Randolph, 2003). ♦ Tiến hành thí nghiệm rất nhanh. Tuy nhiên, ph−ơng pháp động có một số hạn chế: ♦ Quan hệ độ lún-tải trọng dự đoán từ một thí nghiệm th−ờng là không duy nhất mà do quá trình so sánh phù hợp tốt nhất (Poulos, 2000). ♦ Các yếu tố phụ thuộc thời gian của tải trọng không xuất hiện trong thí nghiệm do tải trọng tác dụng nhanh. Tuy nhiên, d−ới tác dụng của tải trọng làm việc các độ lún này là t−ơng đối nhỏ (Poulos, 2000). ♦ Các ứng suất kéo lớn có thể xuất hiện với cọc đ−ờng kính lớn và gây ra nứt. ♦ Phân tích số liệu t−ơng đối phức tạp và dựa nhiều vào kinh nghiệm của ng−ời thí nghiệm do cần chọn một số thông số phù hợp cho ch−ơng trình tính. ♦ Lực tác dụng đ−ợc tính từ thiết bị đo biến dạng và mô đun đàn hồi của cọc do vậy nó phụ thuộc nhiều vào độ đồng nhất của vật liệu và tiết diện ngang. Ph−ơng pháp động đã đ−ợc công nhận bởi một số quy trình nh− quy BS 8004:1986, EC 7: 1997, ICE (1997), và SCI (1997) tuy nhiên các quy trình kiến nghị nên so sánh kết quả động với một số thí nghiệm tĩnh. 5. Thí nghiệm tĩnh động 5.1. Nguyên lý thí nghiệm Với thí nghiệm tĩnh động, tải trọng tác dụng vào cọc dạng xung nửa hình sin với thời gian tác dụng tải trọng khoảng từ 80 ms đến 200 ms (Hình 3.9). Để có dạng tải trọng này, một khối nặng đ−ợc đặt đầu cọc và nó đ−ợc đẩy lên trên 104 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT nhờ áp suất trong pít tông gây ra do đốt cháy một vật liệu đặc biệt (Hình 3.10). Hiện nay đã có thiết bị thí nghiệm tạo ra lực lác dụng vào cọc khoảng 60MNA. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 600 620 640 660 680 700 720 740 t (ms) P ( kN ) Hỡnh 3.9 Tải trọng tác dụng vào đầu cọc theo thời gian trong thí nghiệm tĩnh động Hỡnh 3.10 Thí nghiệm tĩnh động Cấu tạo thiết bị của thí nghiệm tĩnh động đ−ợc thể hiện trên Hình 3.11. Khi thí nghiệm đối trọng (G) đ−ợc đẩy lên trên nhờ đốt vật liệu cháy trong buồng (C). Khi đạt đ−ợc tải trọng lớn nhất trong đ−ờng tải hình sin, tải trọng đ−ợc giảm dần bằng cách tháo van xả. Theo kinh nghiệm, đối trọng có trọng l−ợng bằng khoảng 5% tải trọng cần tác dụng (Holeyman, 1992, Bermingham & White, 1995). 105 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Hiện t−ợng sóng ứng suất xuất hiện trong thí nghiệm động sẽ giảm đáng kể trong thí nghiệm tĩnh động do thời gian tác dụng tải trọng trong thí nghiệm (80 ms đến 200 ms) dài hơn rất nhiều trong thí nghiệm động (4ms đến6 ms). Tải trọng tác dụng trong thí nghiệm đ−ợc đo trực tiếp bằng hộp tải (B) đặt tại đáy thiết bị và trên đầu cọc. Độ lún của cọc trong quá trình thí nghiệm đ−ợc đo bằng một Laser cảm ứng (L) đ−ợc kích hoạt bằng tia laser (J) (Hình 3.11). Tải trọng và độ lún đ−ợc ghi vào máy tính qua máy ghi số liệu với tốc độ cao ( 4000 lần ghi trên giây). Từ số đo độ lún theo thời gian có thể tính ra đ−ợc tốc độ lún của cọc và gia tốc cọc. Vận tốc cọc thay đổi trong thí nghiệm là rất lớn từ 0 đến 2000 mm/s (Japanese Geotechnical Society, 2000). A, Cọc B, Hộp tải C ã Xy lanh D, Pít tông E Sàn F, Giảm âm G, Đối trọng H, Vỏ đựng sỏi I, Sỏi J, Laser K, Tia Laser L, Laser cảm ứng Hỡnh 3.11 Các bộ phận thí nghiệm tĩnh động So sánh với các ph−ơng pháp thí nghiệm khác, thí nghiệm này có các −u điểm sau (Poulos, 2000): ♦ Thí nghiệm nhanh, lắp đặt thiết bị dễ dàng. ♦ Có thể tiến hành thí nghiệm với tải trọng lớn (hiện nay đến 60MN). ♦ Tải trọng đ−ợc tác dụng đúng tâm, thí nghiệm có thể tiến hành cho một cọc hoặc nhóm cọc. ♦ Có thể thực hiện đ−ợc thí nghiệm tải trọng ngang mà thí nghiệm động không thể thực hiện. ♦ Do thời gian tác dụng tải t−ơng đối lâu, sóng ứng suất là không đáng kể nên cọc không bị nứt d−ới ứng suất kéo nh− thí nghiệm động. 106 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT ♦ Tải trọng tác dụng đ−ợc đo trực tiếp bằng hộp tải, do vậy nó không bị ảnh h−ởng và sai số do vật liệu cọc không đồng nhất, trắc ngang không đều nh− trong thí nghiệm động. Mặc dù có nhiều −u điểm nh− vậy nh−ng ph−ơng pháp này vẫn ch−a đ−ợc sử dụng rộng rãi 5.2 Phân tích thí nghiệm T−ơng tác giữa đất và cọc trong thí nghiệm tĩnh động gần giống nh− sự t−ơng tác trọng thí nghiệm tĩnh hơn là sự t−ơng tác trong thí nghiệm động. Tuy nhiên để xác định đ−ợc sức chịu tải tĩnh của cọc từ thí nghiệm tĩnh động, cần phải phân tích kết quả thí nghiệm do hiệu ứng tốc độ gia tải đã đề cập ở trên. Trên Hình 3.12 là kết quả thí nghiệm tĩnh gia tải từng cấp, thí nghiệm nén với tốc độ không đổi và thí nghiệm tĩnh động cho cùng một cọc. Kết quả cho thấy sức cản nhớt là rất rõ rệt, sức kháng động của cọc lớn hơn nhiều sức kháng tĩnh. Để xác định sức kháng tĩnh từ thí nghiệm tĩnh động cần phải xác định thành phần sức cản nhớt. 0 2 4 6 8 10 12 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tải trọng(kN) Đ ộ lú n (m m ) Kết quả từ Statnamic Thí nghiệm nén tĩnh với vận tốc không đổi Thí nghiệm gia tĩnh tải từng cấp Hỡnh 3.12 Kết quả thí nghiệm tĩnh và thí nghiệm tĩnh động (Statnamic) 107 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Theo mô hình tuyến tính Middendorp (1993) giới thiệu ph−ơng pháp đơn giản để phân tích số liệu gọi là ph−ơng pháp điểm dỡ tải (UPM). Ph−ơng pháp này sử dụng một số giả thiết sau: ♦ Cọc đ−ợc mô hình nh− một khối cứng và hiện t−ợng sóng ứng suất xem nh− là không đáng kể. Giả thiết này dựa trên quan sát cho thấy trong thí nghiệm tĩnh động các bộ phận của cọc di chuyển xuống d−ới theo cùng một h−ớng và gần nh− cùng một vận tốc. ♦ Trong thí nghiệm này 3 thành phần lực tác dụng vào cọc nh− trong Hình 3.13: i) tải thí nghiệm (FSTN) tác dụng vào đầu cọc do đối trọng đ−ợc đẩy lên, đ−ợc đo bằng hộp tải; ii) lực quán tính của cọc (Fa); iii) sức cản động bằng tổng sức kháng tĩnh và sức cản nhớt (Fđất). ♦ Mô hình Smith, lò xo song song với pít tông (Figure 3.13) đ−ợc sử dụng để mô hình sức kháng động bao gồm hai thành phần: i) sức kháng tĩnh (Fs) đ−ợc thể hiện bằng lò xo; ii) sức cản nhớt (Fd) do hiệu ứng tốc độ gia tải đ−ợc thể hiện bằng pít tông. ♦ Sức cản nhớt tỉ lệ với vận tốc cọc (v) và hệ số sức cản nhớt không đổi (c). ♦ Sức kháng tĩnh (Fs) không thay đổi từ điểm có lực tác dụng lên cọc là lớn nhất cho đến điểm tại đó vận tốc cọc bằng 0 (điểm không tải thực chất là điểm cọc có vận tốc bằng không (Hình 3.14). F STS F a F d Fs FSTS : Lực thí nghiệm Fa : Lực quán tính Fd : Lực cản nhớt (Fd = c.v, v- Vận tốc c – Hệ số cản nhớt) Fs Sức kháng tĩnh Fđất = Fd + F s Hỡnh 3.13 Các thành phần lực trong thí nghiệm tĩnh động (Statnamic) 108 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Fmax Tĩnh Tải [MN] Độ lún cọc [mm] Sức cản nhớt Tĩnh động Điểm không tải Hỡnh 3.14 Điểm không tải Do vậy ph−ơng trình cân bằng các lực tác dụng vào cọc là: FSTN = Fđất + Fa = (Fs + Fd) + (Ma) (3.40) trong đó M là khối l−ợng cọc a là gia tốc cọc Fd = cv (3.41) Để xác định sức kháng tĩnh (Fs) cần phải xác định hệ số cản nhớt c. Tại điểm không tải, điểm có vận tốc cọc (v) bằng 0, lức đó sức cản nhớt cũng bằng 0 (Fd = cv). Do vậy tại điểm này sức kháng tĩnh đ−ợc xác định nh− sau: F(ul)STN = F(ul)s + Ma => F(ul)s = F(ul)STN – Ma(ul) (3.42) Chỉ số (ul) chỉ giá trị tại điểm không tải. Theo giả thiết đề cập trên sức kháng tĩnh của cọc không thay đổi từ điểm có lực tác dụng lớn nhất cho đến điểm không tải, do vậy lực thí nghiệm tĩnh động tác dụng vào cọc tại giá trị lớn nhất là: FSTNmax = Fsoil + MaSTNmax = (Fs + Fd) + MaSTNmax = (F(ul)s + cv) + MaSTNmax (3.43) Chỉ số (STNmax) chỉ điểm có tải thí nghiệm là lớn nhất. Do vậy hệ số cản nhớt giả thiết là không thay đổi đ−ợc xác định theo : c = (FmaxSTN - F(ul)s – MaSTNmax)/vSTNmax (3.44) 109 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Ph−ơng pháp này đ−ợc áp dụng khá rộng rãi do đơn giản. Ph−ơng pháp dự đoán khá tốt khi cọc hạ trong đất cát với đất dính dự đoán theo ph−ơng pháp này th−ờng cao hơn sức kháng tĩnh thực tế hơn 30% do hai giả thiết đơn giản hoá của ph−ơng pháp: ♦ Sức cản nhớt tỉ lệ tuyến tính với vận tốc. Các thí nghiệm chỉ ra rằng sức cản nhớt có quan hệ phi tuyến với vận tốc cắt đặc biệt là đất sét. ♦ Cọc xem nh− một khối cứng và bỏ qua hiện t−ợng sóng ứng suất. Giả thiết này có thể gây ra sai số đáng kể cho cọc dài. Theo mô hình phi tuyến Hiện nay một số nghiên cứu đã và đang thực hiện để áp dụng mô hình phi tuyến khi phân tích số liệu thí nghiệm tĩnh động. Mô hình phi tuyến (3.36) khi đ−ợc áp dụng để xác định sức kháng tĩnh từ sức kháng động đo đ−ợc từ thí nghiệm động cho thấy: - Mô hình này cho kết quả sức chịu tải tĩnh nhỏ hơn sức chịu tải tĩnh thực tế của cọc khi cọc còn ch−a đạt đến sức chịu tải cực hạn. - Hệ số cản nhớt thay đổi khá nhạy khi tính chất cơ lý của đất thay đổi, không nh− quan điểm của Randolph & Deeks cho rằng có thể dùng chung một giá trị cho đất sét. Các quy trình thiết kế th−ờng xác định sức chịu tải cho phép của cọc từ tiêu chuẩn về độ lún cho phép. Do vậy, khi xác định đ−ờng quan hệ tải trọng - độ lún cho một cọc, ng−ời thiết kế th−ờng quan tâm đến vùng làm việc tr−ớc khi cọc đạt đ−ợc độ lún tới hạn. Mô hình tính toán của Randolph & Deeks ch−a đáp ứng đ−ợc yêu cầu này do mô hình dự đoán sức chịu tải của cọc nhỏ hơn sức chịu tải thực tế của cọc. Thực tế cho thấy sức cản nhớt của đất không chỉ phủ thuộc vào tốc độ cắt mà còn phụ thuộc vào các giai đoạn làm việc của đất nền trong quá trình cắt. Sức cản nhớt tăng dần theo sức kháng cắt và đạt giá trị lớn nhất khi lực cắt đạt giá trị lớn nhất (khi lực cắt đạt đến giá trị tới hạn). Qua nhận xét trên phân tích số liệu thí nghiệm tĩnh động có thể dùng mô hình sức cản nhớt phụ thuộc đồng thời vào tốc độ cắt và sức kháng cắt nh− sau: 110 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT (max) 1 d d d d s s v v τβ ττ ατ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞= + ⎜ ⎟⎝ ⎠ (3.45) Trong đó: τd : sức kháng cắt động τs : sức kháng cắt tĩnh vd : tốc độ cắt động vs : tốc độ cắt cho sức kháng cắt tĩnh, lấy bằng 0.01mm/s β : lấy bằng 0.2 α : hệ số thay đổi theo loại đất τd : sức kháng cắt động τd(max) : sức kháng cắt động cực đại Theo mô hình trên thì hệ số cản nhớt ở số mũ không cố định mà biến đổi dần theo sức kháng cắt động, τd. Hệ số cản nhớt bằng 0 khi τd bằng không sau đó tăng dần khi τd tăng lên và bằng 0.2 khi τd đạt giá trị cực đại. áp dụng mô hình trên để xác định sức kháng tĩnh từ thí nghiệm động cho thấy đ−ờng cong quan hệ sức kháng tĩnh - độ lún theo phân tích phù hợp với đ−ờng cong sức kháng tĩnh-độ lún đo đ−ợc từ thí nghiệm trong cả quá trình gia tải của cọc. Nh−ợc điểm lớn nhất của các mô hình phi tuyến là không xác định đ−ợc các hệ số từ thí nghiệm tĩnh động nh− ph−ơng pháp điểm không tải. Điều này có thể khắc phục bằng cách xác định các hệ số này bằng các thí nghiệm trong phòng hợp lý. Ví dụ áp dụng các mô hình phân tích Một đổ tại chỗ có đ−ờng kính cọc D = 600mm, chiều dài l = 12m. Cọc đ−ợc hạ trong nền đất sét có các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu nh− sau: giới hạn chảy wL=20- 36%, giới hạn dẻo wP=12-18%, chỉ số SPT trung bình khoảng 25 đ−ợc tiến hành 3 loại thí nghiệm là thí nghiệm gia tải từng cấp (MLT), thí nghiệm nén cọc chậm với tốc độ không đổi (CRP) cho cọc, thí nghiệm tĩnh động (Hình 3.12 ở trên). 111 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 112 Nếu áp dụng các mô hình vừa đề cập ở trên cho thí nghiệm kết quả cho nh− ở Hình 3.15. Với mô hình phi tuyến có hệ số cản nhớt thay đổi, giá trị α đ−ợc thử cho α = 0.068; 0.085; 0.12; 0.16. Hình 3.15. áp dụng mô hình mới cho thí nghiệm hiện tr−ờng. 0 2 4 6 8 10 12 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tải trọng(kN) Đ ộ lú n (m m ) Kết quả từ Statnamic Thí nghiệm nén tĩnh với vận tốc không đổi Thí nghiệm gia tĩnh tải từng cấp Đ−ờng tải trọng độ lún theo mô hình mới với các hệ số α = 0.068; 0.085; 0.12; 0.16 Phân tích theo 'Điểm không tải' Phân tích theo Randolph & Deeks So sánh kết quả cho thấy mô hình hệ số cản nhớt thay đổi cho đ−ờng cong tải trọng - độ lún phù hợp nhất với đ−ờng cong tải trọng - độ lún đo đ−ợc từ thí nghiệm nén tĩnh cọc. Với ph−ơng pháp điểm không tải có sai số lớn khi vận tốc cắt tăng lên, dẫn đến đ−ờng cong tải trọng - độ lún tính toán cách xa đ−ờng cong tải trọng - độ lún từ thí nghiệm và sai số có thể đến 40%. Với mô hình Randolph & Deeks đ−ờng cong tải trọng - độ lún sai khác nhiều với đ−ờng thí nghiệm trong giai đoạn tải trọng tác dụng nhỏ hơn tải trọng cực hạn của cọc